Molecular basis for maternal inheritance of human mitochondrial DNA

TFAM公司 生物 线粒体DNA 线粒体 精子 遗传学 精子 细胞生物学 非孟德尔遗传 基因
作者
William Lee,Angélica Zamudio-Ochoa,Gina Buchel,Petar Podlesniy,Nuria Martí Gutiérrez,Margalida Puigròs,Anna Calderon,Hsin‐Yao Tang,Li Li,Aleksei Mikhalchenko,Amy Koski,Ramón Trullás,Shoukhrat Mitalipov,Dmitry Temiakov
出处
期刊:Nature Genetics [Springer Nature]
卷期号:55 (10): 1632-1639 被引量:26
标识
DOI:10.1038/s41588-023-01505-9
摘要

Uniparental inheritance of mitochondrial DNA (mtDNA) is an evolutionary trait found in nearly all eukaryotes. In many species, including humans, the sperm mitochondria are introduced to the oocyte during fertilization1,2. The mechanisms hypothesized to prevent paternal mtDNA transmission include ubiquitination of the sperm mitochondria and mitophagy3,4. However, the causative mechanisms of paternal mtDNA elimination have not been defined5,6. We found that mitochondria in human spermatozoa are devoid of intact mtDNA and lack mitochondrial transcription factor A (TFAM)—the major nucleoid protein required to protect, maintain and transcribe mtDNA. During spermatogenesis, sperm cells express an isoform of TFAM, which retains the mitochondrial presequence, ordinarily removed upon mitochondrial import. Phosphorylation of this presequence prevents mitochondrial import and directs TFAM to the spermatozoon nucleus. TFAM relocalization from the mitochondria of spermatogonia to the spermatozoa nucleus directly correlates with the elimination of mtDNA, thereby explaining maternal inheritance in this species. The mitochondrial transcription factor A is excluded from the mitochondria in spermatozoa by virtue of phosphorylation of the mitochondrial presequence. This is associated with transport to the nucleus and loss of mitochondrial DNA (mtDNA) from the mitochondria, providing a mechanistic basis for uniparental inheritance of mtDNA in humans.
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